(57)【要約】【課題】冷却性能の低下を抑えつつ，モジュール基板と冷却器との間の応力緩和を図る半導体モジュールおよびその製造方法を提供すること。【解決手段】半導体モジュール１００は，半導体素子１０と，半導体素子１０を実装し，セラミック基板２３の両面に金属板２１，２２を有するモジュール基板２０と，半導体素子１０から発生する熱を放出する冷却部材３８とを備える。冷却部材３８は，金属板２２に接合される基板３５と，その基板３５から金属板２２とは反対側に突出し，ピン形状に成形された複数のピン３６とを有している。ピン３６は，筒状であり，先端部が閉口し，基板３５との付根部が開口している。そして，冷却部材３８の基板３５とモジュール基板２０の金属板２２とを接合し，ピン３６の開口箇所を金属板２２が塞ぐことによってピン３６の内部に中空部３７が形成される。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と，
絶縁基板と，当該絶縁基板の両面に位置する金属層とを有し，前記半導体素子を実装するモジュール基板と，
前記モジュール基板と接合する冷却部材とを備え，
前記冷却部材は，前記モジュール基板と接合する面とは反対側の面側に突出し，付根側の端部が開口する筒状のピン部を複数有し，
前記モジュール基板が前記ピン部の開口箇所を封止し，前記ピン部の内側が中空領域をなすことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載する半導体モジュールにおいて，
前記ピン部の中空領域にナトリウムが封入されていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載する半導体モジュールにおいて，
冷媒流路を形成するケース部材を有し，当該ケース部材が前記冷却部材と接合する冷却器を備え，
前記冷却器のケース部材のうちの前記冷却部材との接合面には貫通孔が設けられ，前記冷却部材のピン部の先端が当該貫通孔を通して前記ケース部材内の冷媒流路に位置することを特徴とする半導体モジュール。
【請求項４】
絶縁基板とその絶縁基板の両面に位置する金属層とを備え，半導体素子を実装するモジュール基板と，冷却部材とを有する半導体モジュールの製造方法において，
前記冷却部材は，一方の面側に突出し，付根側の端部が開口する筒状のピン部を複数有し，
前記冷却部材と前記モジュール基板とを接合し，前記モジュール基板が前記冷却部材のピン部の開口箇所を封止し，当該ピン部の内側に中空領域を形成する接合工程を含むことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載する半導体モジュールの製造方法において，
前記接合工程の前に，前記冷却部材のピン部の内側に，ナトリウムを充填する充填工程を含むことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，冷却機構を備えた半導体モジュールおよびその製造方法に関する。さらに詳細には，半導体素子を載置するモジュール基板と，冷却機構を構成する冷却器との線膨張率差に起因する応力を緩和する応力緩和機能を有する半導体モジュールおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車や電気自動車等に車載される高耐圧・大電流用のパワーモジュールは，半導体素子の動作時の自己発熱量が大きい。そのため，車載用パワーモジュールは，高放熱性を有する冷却器と一体になっており，半導体素子から発せられる熱を冷却器によって放熱する冷却機構を備えている。
【０００３】
図７は，冷却機構を具備する半導体モジュールの一例を示している。半導体モジュール９０は，半導体素子１０と，半導体素子１０を実装するモジュール基板２０と，冷媒流路を備えた冷却器３０とを有している。モジュール基板２０は，セラミック基板２３とその両面の金属板２１，２２とによって構成される。半導体モジュール９０は，半導体素子１０から発せられる熱を冷却器３０によって放熱する。
【０００４】
このような構造の半導体モジュール９０では，線膨張率の相違に起因する応力集中が懸念される。つまり，モジュール基板２０の線膨張率は４〜６ｐｐｍ／℃と小さい。一方，冷却器３０の素材となるアルミの線膨張率は２３ｐｐｍ／℃と比較的大きい。
【０００５】
そこで，この線膨張率差を吸収するため，モジュール基板２０と冷却器３０との間には，高熱伝導性を有しかつ冷却器３０と線膨張率が近い素材（高純度アルミ等）からなる応力緩和層４０がロウ材５０によってロウ付けされている。応力緩和層４０では，多数の突起部４１が設けられており，それら突起部４１が変形することでモジュール基板２０と冷却器３０との線膨張歪を吸収する。このような半導体モジュールの開示例としては，例えば特許文献１がある。
【特許文献１】特開２００７−１９２０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら，前記した従来の半導体モジュールには，次のような問題があった。すなわち，モジュール基板２０と冷却器３０との間に応力緩和層４０を配置すると，その応力緩和層４０の厚さの分だけ冷却器３０と半導体素子１０との距離が離れることになる。また，突起部４１，４１間の隙間が熱伝達の妨げとなる。そのため，冷却性能に悪影響を与える。
【０００７】
本発明は，前記した従来の半導体モジュールが有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，冷却性能の低下を抑えつつ，モジュール基板と冷却器との間の応力緩和を図る半導体モジュールおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題の解決を目的としてなされた半導体モジュールは，半導体素子と，絶縁基板と，当該絶縁基板の両面に位置する金属層とを有し，半導体素子を実装するモジュール基板と，モジュール基板と接合する冷却部材とを備え，冷却部材は，モジュール基板と接合する面とは反対側の面側に突出し，付根側の端部が開口する筒状のピン部を複数有し，モジュール基板がピン部の開口箇所を封止し，ピン部の内側が中空領域をなすことを特徴としている。
【０００９】
本発明の半導体モジュールは，モジュール基板と冷却部材とが直接接合されている。すなわち，応力緩和層が設けられていない。そのため，半導体素子と冷却部材との間の距離が短く，両者の間に熱伝達を妨げる隙間等がない。よって，冷却性能が高い。さらには，応力緩和層が不要であることから，部品点数を削減できる。また，冷却部材には，複数のピン部が設けられ，各ピン部の付根部分は開口している。そして，熱応力の発生時には，各ピン部の開口箇所である付根部分が膨張あるいは収縮するように変形することで熱応力が緩和される。そのため，高温時における応力緩和が可能になる。従って，高冷却性能と応力緩和機能とが両立している。
【００１０】
また，本発明の半導体モジュールは，ピン部の中空領域にナトリウムが封入されているとよりよい。すなわち，ナトリウムは熱伝達性に優れることから，中空の場合と比較して熱伝達効率が向上する。なお，ナトリウムの融点は９８度であり，車載された半導体素子が動作する高温（１００度から３００度）時ではナトリウムは溶融してしまう。このことから，ピン部の開口箇所は変形容易であり，封入されたナトリウムは応力緩和機能に影響しない。
【００１１】
また，本発明の半導体モジュールは，冷媒流路を形成するケース部材を有し，当該ケース部材が冷却部材と接合する冷却器を備え，冷却器のケース部材のうちの冷却部材との接合面には貫通孔が設けられ，冷却部材のピン部の先端が当該貫通孔を通してケース部材内の冷媒流路に位置するとよりよい。すなわち，冷却部材のピン部の先端が冷媒流路に配置されることから，より冷却性能が向上する。
【００１２】
なお，本発明は，絶縁基板とその両面に位置する金属層とを備えたモジュール基板と，冷却部材とを有する半導体モジュールの製造方法であって，冷却部材は，一方の面側に突出し，付け根側の端部が開口する筒状のピン部を複数有し，冷却部材とモジュール基板の一方の面の金属層とを接合し，当該金属層が冷却部材のピン部の開口箇所を封止し，当該ピン部の内側に中空領域を形成する接合工程を含むことを特徴とする半導体モジュールの製造方法を含んでいる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば，冷却性能の低下を抑えつつ，モジュール基板と冷却器との間の応力緩和を図る半導体モジュールおよびその製造方法が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお，以下の形態では，ハイブリッド自動車用のインテリジェントパワーモジュールを構成する半導体モジュールとして本発明を適用する。
【００１５】
［第１の形態］
第１の形態の半導体モジュール１００は，図１に示すように，発熱体となる半導体素子１０と，半導体素子１０を実装するモジュール基板２０と，半導体素子１０から発生する熱を放出する冷却部材３８とを備えている。モジュール基板２０は，セラミック基板２３とその両面上の金属板２１，２２とによって構成される。
【００１６】
半導体素子１０は，インバータ回路を構成する電子部品である。半導体素子１０は，モジュール基板２０上に複数実装され，半田１５によって固定される。なお，インテリジェントパワーモジュールには，多数の半導体素子が搭載されるが，本明細書では説明を簡略化するためにその一部のみを概略図示している。
【００１７】
セラミック基板２３は，絶縁基板の一例であり，必要とされる絶縁特性，熱伝導率および機械的強度を満たしていれば，どのようなセラミックから形成されていてもよい。例えば，酸化アルミニウムや窒化アルミニウムが適用可能である。本形態では，セラミック基板２３として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いる。
【００１８】
また，セラミック基板２３の上面には，電極層となる金属板２１が設けられている。金属板２１には，電気伝導率が高く，はんだ１５との濡れ性に優れたものであればよい。例えば，純度が高いアルミニウムにニッケルメッキを施したものが適用可能である。一方，セラミック基板２３の下面にも，金属板２２が設けられている。金属板２２は，熱伝導率が高く，ロウ材５０との濡れ性に優れたものであればよい。例えば，高純度アルミニウムが適用可能である。
【００１９】
冷却部材３８は，金属板２２に接合される基板３５と，その基板３５から金属板２２とは反対側に突出し，ピン形状に成形された複数のピン３６を有している。冷却部材３８を構成する基板３５およびピン３６は，必要とされる重量，熱伝導率および機械的強度を満たしていれば，どのような金属から形成されていてもよい。本形態では，アルミ合金を適用する。
【００２０】
冷却部材３８の各ピン３６は，基板３５の面内に規則的に配置される。各ピン３６は，プレス成形によって基板３５から押し出されることで形成される。すなわち，図２ないし図３に示すように，ピン３６は，筒状であり，先端部が閉口し，基板３５との接合部が開口している。そして，冷却部材３８の基板３５とモジュール基板２０の金属板２２とが接合し，ピン３６の開口箇所を金属板２２が塞ぐことによって，ピン３６の内部には中空部３７が形成される。
【００２１】
金属板２２と基板３５とは，半導体素子１０からの熱を効率よく冷却部材３８に伝達させるため，ロウ材５０を利用したロウ付けによって直接接合される。ロウ材５０としては，Ａｌ−Ｓｉ系合金，Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金等のアルミニウムロウ材が適用可能である。本形態では，Ａｌ−Ｓｉ系合金を用い，６００℃弱の温度でロウ付けを行う。なお，金属板２２と基板３５との接合の他，セラミック基板２３とその両面上の金属板２１，２２との接合も同時に行ってもよい。
【００２２】
すなわち，半導体モジュール１００は，冷却部材３８とモジュール基板２０とを直接ロウ付けしている。そのため，冷却器３０とモジュール基板２０とを応力緩和層４０を介して接合する従来の半導体モジュール９０（図７参照）と比較して，冷却部材３８と半導体素子１０との距離が近い。また，両者の間に熱伝達を妨げる隙間等がない。よって，冷却性能は高い。
【００２３】
また，冷却部材３８のピン３６は，その内部が中空であって付根部分が開口している。そして，熱応力が生じた際には，その開口箇所である付根部分が膨張あるいは収縮するように変形することでモジュール基板２０と冷却部材３８との線膨張歪を吸収する。すなわち，ピン３６が応力緩和機能を兼ねる。これにより，半導体モジュール１００では，応力緩和性能と高冷却性能との両立を可能にしている。
【００２４】
また，半導体モジュール１００の冷却部材３８は，中空ピン形状のピン３６によって応力を緩和することから，剛性に偏りがない。すなわち，従来の冷却部材として，図７に示したようなコルゲート形状（波形状）に加工されたものがある。このようなコルゲート形状の冷却部材では，その剛性について偏りが生じ，熱応力を吸収し難い方向がある。一方，半導体モジュール１００の冷却部材３８については，剛性に偏りがないことから，応力緩和性能が高い。
【００２５】
［第２の形態］
第２の形態の半導体モジュール２００は，図４に示すように，半導体素子１０と，半導体素子１０を実装するモジュール基板２０と，半導体素子１０から発生する熱を放出する冷却部材３８とを備え，モジュール基板２０と冷却部材３８とが直接接合されている点は第１の形態の半導体モジュール１００と同様であるが，冷却部材３８のピン３６の内部には，ナトリウム３９が封入されている。この点，ピン３６の内部が中空であり，何も充填されていない第１の形態とは異なる。
【００２６】
第１の形態の半導体モジュール１００では，冷却部材３８までの熱伝達性は良好であるが，冷却部材３８としてはピン３６内部の中空部３７の熱抵抗が大きい。一方で，ピン３６内部に中空部３７がない形状とすると，ピン３６の変形が困難になり，応力緩和効果が期待できない。そこで，第２の形態の半導体モジュール２００では，ピン３６の内部の中空部３７に熱伝導性が良いナトリウム（１４１Ｗ／ｍｋ）３９を充填する。
【００２７】
半導体モジュール２００の製造方法としては，ブロック状のナトリウム３９をピン３６の中空部３７に入れ，その状態で冷却部材３８とモジュール基板２０とをロウ材５０によって接合する。これにより，ナトリウム３９をピン３６の中空部３７に封入する。なお，モジュール基板２０とのロウ付け温度はおよそ６００度であり，ナトリウムの沸点が８８０度である。そのため，ナトリウム３９を，ロウ付け時に気化させることなく，ピン３６の内部に封入できる。
【００２８】
また，ナトリウム３９は，その融点が９８度であるため，半導体素子１００動作中における高温環境時（１００度から３００度）には溶融する。そのため，ピン３６の開口部は変形容易となり，ナトリウム３９は熱応力緩和機能を妨げない。そして，ピン３８の内部は溶融したナトリウム３９で満たされることから，冷却部材３８は非常に高い熱伝導性を有する。
【００２９】
［第３の形態］
第３の形態は，第１の形態の半導体モジュール１００を組み付けたアセンブリ１５０であり，図５に示すように，複数の半導体モジュール１００と，バスバー６１を保持する樹脂ハウジング６０と，半導体モジュール１００および樹脂ハウジング６０を保持する冷却器３００とを備えている。半導体モジュール１００の半導体素子１０と樹脂ハウジング６０のバスバー６１とは，ワイヤー１２を介して電気的に接続されている。半導体モジュール１００および樹脂ハウジング６０は，接着剤５１によって冷却器３００の天板３１に接合されている。
【００３０】
冷却器３００は，半導体モジュール１００等と接合する平板状の天板３１と，箱状に成形された底板３２とを備え，底板３２のフランジ部が天板３１と接合している。冷却器３００を構成する各部材は，高熱伝導性を有しかつ軽量であるアルミによって形成される。天板３１および底板３２によって囲まれた中空は，冷却水が流れる冷媒流路３３となる。なお，冷媒としては，冷却水に限るものではない。液体および気体のいずれを用いてもよい。
【００３１】
天板３１には，図６に示すように，半導体モジュール１００のピン３６を挿入するための複数の貫通穴３４が設けられている。半導体モジュール１００を冷却器３００に組み付けた状態では，ピン３６の先端が貫通穴３４を介して冷却器３００の内部の冷媒流路３３に位置する。
【００３２】
セラミック基板２３上には電極となる金属板２１がロウ付けされており，その後に半導体素子１０は金属板２１上に半田付けされる。この半田付けを，アルミの金属板２１上に直接行うとすると半田１５が濡れないため，金属板２１上にはニッケルめっきが必要となる。ここで，ロウ付けの際に，冷却器３００まで一括してロウ付けすると，本来ニッケルめっきが不要な冷却器３００本体までニッケルめっきされてしまい資源の無駄が多い。また，コストアップを招く。
【００３３】
そこで，本形態のアセンブリ１５０の製造過程では，半導体モジュール１００ごとにニッケルめっきする。すなわち，まず，モジュール基板２０を構成する金属板２１，２２とセラミック基板２３とのロウ付けおよびモジュール基板２０と冷却部材３８とのロウ付けのみを行う。その後，ニッケルめっきを行い，モジュール基板２０の表面および冷却部材３８の表面（特に，ピン３６側の表面）をコーティングする。
【００３４】
その後，半導体モジュール１００を接着剤５１によって冷却器３００に接合する。これにより，冷却器３００まで無駄なニッケルめっきをする必要がなく，資源の無駄が少ない。また，冷却部材３８はニッケルめっきして，冷媒に対する冷却部材３８の耐食性を向上させることができる。
【００３５】
なお，半導体モジュール１００と冷却器３００との接着とともに，冷却器３００の天板３１と底板３２も接着剤５１によって接着され，冷却器３００内に冷媒流路３３を形成する。また，樹脂ハウジング６０も接着剤５１によって冷却器３００上に固定される。これらの接着には，耐熱性が高い熱硬化性の接着剤が適用可能である。接着の際には，半導体モジュール１００と冷却器３００との接着，冷却器３００の天板３１と底板３２との接着，樹脂ハウジング６０と冷却器３００との接着を同時に処理することで，接着工程の統合を図ることができる。
【００３６】
接着工程後は，ニッケルめっきされた金属板２１上に半導体素子１０が半田付けされる。半田１５の融点は２３２度で，半田付け温度は例えば３５０度で実施される。その後，半導体素子１０と樹脂ハウジング６０のバスバー６１とがワイヤ１２によって結線され，アセンブリ１５０には電気回路が構成される。
【００３７】
このように，アセンブリ１５０の製造過程では，モジュール基板２０と冷却部材３８との接合をロウ材５０によるロウ付けで行い，冷却性能を高める。一方，冷却器３００の組み立てや，樹脂ハウジング６０の固定には接着剤５１による接着を行い，冷却器３００の熱変形を抑制して平面度を高める。すなわち，高熱伝導性を有するとともに寸法制御が容易な冷却器３００付きインバータモジュールが実現できる。
【００３８】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，第３の形態では，第１の形態の半導体モジュール１００をアセンブリ１５０に適用しているが，第２の形態の半導体モジュール２００を適用してもよい。
【００３９】
また，第２の形態では，ナトリウム３９をピン３６の内部に封入することで高冷却性能を得ているが，充填する金属はこれに限るものではない。例えば，ナトリウムの代わりに，熱伝導性に優れた銅（３９０Ｗ／ｍｋ）を粉状にして封入してもよい。ただし，銅は融点が高く，半導体素子１００動作中における温度では液化しない。そのため，熱伝導率は多少低下する。また，粉状のままであるため，熱応力緩和機能を妨げることはない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１の形態にかかる半導体モジュールの構成を示す概略断面図である。
【図２】図１に示した半導体モジュールのＡ−Ａ断面の構成を示す断面図である。
【図３】第１の形態にかかる冷却部材の構成を示す斜視図である。
【図４】第２の形態にかかる半導体モジュールの構成を示す概略断面図である。
【図５】第３の形態にかかる複数の半導体モジュールを組み付けたアセンブリの構成を示す概略断面図である。
【図６】第３の形態にかかる冷却天板の構成を示す図である。
【図７】従来の形態にかかる半導体モジュールの構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０    半導体素子
２０    モジュール基板
２１，２２  金属板
２３    セラミック基板
３５    基板
３６    ピン
３７    中空部
３８    冷却部材
３９    ナトリウム
５０    ロウ材
５１    接着剤
１００  半導体モジュール
３００  冷却器
【図１】
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【図２】
2010165743.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010165743.tif 000007
【図６】
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【図７】
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